动力学振动与控制学科未来的发展趋势

摘要对近年来动力学、振动与控制的研究进展作了简要回顾，概述了非线性动力学与振动主动控制这两个研究热点的现状。提出了世纪之初应关注的若干研究前沿，即高维非线性系统的全局摄动法、全局分岔和混沌动力学，高维强非线性系统分岔与混沌动力学的实验研究，非线性时滞系统的动力学，流体－弹性体－刚体耦合系统动力学与控制，碰撞与变结构系统动力学，微机电系统动力学。最后，对我国动力学、振动与控制的发展提出了一些建议。1前言近年来，传统的一般力学学科以动力学、振动与控制为主要内涵，在研究深度和广度上都取得了重要进展。在国际范围内，动力学、振动与控制呈现一派欣欣向荣景象。通过向数学、物理学等基础学科借鉴，与计算机、测控技术相结合，与航天、航空、机械、车辆、船舶、土木等工程学科融合，动力学、振动与控制在研究方向和研究内容上发生了重大变化，新的研究领域不断涌现，研究和实验手段更加现代化。例如，通过学科交叉产生了柔体、刚体和液体耦合系统的动力学、智能结构动力学、微机电系统动力学等新的研究方向；在一些研究分支基础上提炼出了带有共性的研究方向，如Birkhoff和Hamilton系统动力学，高维非线性系统的全局摄动、全局分岔和混沌动力学，非光滑系统的动力学，时滞系统的非线性动力学等。当代科学技术发展中提出的大量实际问题，使动力学、振动与控制领域的学者面临许多紧迫任务，需要迎接各种挑战，不断推陈出新。为了深入探讨动力学、振动与控制在世纪之初的发展方向和学科前沿，加强海内外青年学者之间的学术交流，由国家自然科学基金委员会数理科学部发起，国家自然科学基金委员会数理科学部和中国力学学会主办，海军工程大学承办的“动力学，振动与控制青年学者学术研讨会”于2002年3月25~29日在海南省海口市召开，海内外20多位从事动力学、振动与控制研究的青年学者出席了会议。与会代表对于动力学、振动与控制的一些发展趋势、研究方向和前沿问题进行了热烈的研讨，并且提出了不少好的设想和建议。通过研讨，大家认为要使我国在动力学、振动与控制的研究水平上进入世界一流，应该注意以下问题：(1)当今世界，科学技术发展迅速。动力学、振动与控制早期作为从Newton,Layrange和Hamilton等人发展起来的一门基础学科,随着科学与工程技术的迅速发展，时至今日，动力学、振动与控制主要已经发展成为一门从工程中提炼出的技术科学分支。因此,动力学、振动与控制包含了比较多的基础研究内容，应该有超前发展,并且需在研究内容和研究方向上不断推陈出新,与时俱进。青年学者、特别是正在成长为学术带头人的青年学者，要认准科学技术发展的大方向，明确自己的定位，瞄准国际上动力学、振动与控制的研究前沿去选择和开辟新的研究领域。(2)对动力学、振动与控制的研究应该有所侧重，一是大多数的动力学、振动与控制问题应该来源于工程实际问题，应从工程中提炼出动力学问题及其模型，然后运用并发展各种方法加以研究和解决。二是要注重对于解决动力学、振动与控制问题的基本方法的研究，从一些迫切需要、但又束手无策的问题着手，寻找新的突破点。上述两个方面相辅相成，体现了动力学、振动与控制研究学科“顶天立地”的特色。从事前者的研究队伍比较大，而后者的研究队伍要少而精。(3)要从整个力学学科的基础这一高度来充分认识分析动力学和非线性动力学的重要地位，从不同的分支学科和不同的角度研究分析动力学和非线性动力学问题。分析动力学和非线性动力学的突破和进展，往往可以带动其它分支学科的发展，并且为工程问题的解决提供基本方法和理论。(4)要更加深入地认识到动力学、振动与控制学科中各个分支学科在理论和方法上是相互依赖、相互渗透和相互贯通的，要用系统和大系统的观点来考察和研究动力学、振动与控制问题。动力学、振动与控制的研究范畴应该扩展到下述过程：综合多学科的知识、方法和实验技术来建立系统(受控系统)的动力学方程→应用并发展新的动力学理论，通过解析、数值和实验相互支持的方法进行分析→对系统进行被动、主动或半主动控制设计→在计算机支持的虚拟现实等环境下形成系统设计方案论证和具体设计。(5)从事动力学、振动与控制研究的学者要尽量研究其它工程学科尚不能够解决的复杂和关键问题，为工程问题的解决提供研究方法和解决方案。既要借鉴数学和物理学等基础学科的研究成果，又要在研究内容和方法上与这些学科有显著区别。因此，动力学、振动与控制学科所研究的问题要有工程背景和应用前景，这样才能有学科自身的生存和发展空间。(6)要扩大学科涵盖面，扩大研究队伍，加强国际合作和交流。动力学、振动与控制要从传统的研究领域向新的研究领域扩展，从离散系统扩大到连续系统、流固耦合系统等。学科交叉与综合是产生新方向和新学科的土壤，动力学、振动与控制要不断的容纳新的研究内容。海内外从事动力学、振动与控制研究的华人青年学者要相互合作和支持，组成高水平的研究团队。与会代表认为，在未来的十年中，动力学、振动与控制的下述研究前沿值得引起更多的青年学者重视：(1)高维非线性系统的全局摄动法、全局分岔和混沌动力学；(2)高维强非线性系统分岔与混沌动力学的实验研究；(3)时滞非线性系统的动力学理论及其应用；(4)流体-弹性体-刚体耦合系统动力学与控制；(5)碰撞与变结构系统动力学；(6)微机电系统动力学。2研究现状近十年来，国际范围内对动力学、振动与控制的研究非常活跃。从比较经典的分析动力学到与当代信息技术紧密结合的计算动力学、动力学控制，从以探索未知世界为主的非线性动力学到以工程应用为主的振动测试与控制技术，都获得了许多重要成果。在众多的研究领域中，非线性动力学和振动主动控制是近年来公认的两个研究热点。2.1非线性动力学真实动力系统几乎总是含有各种各样的非线性因素，诸如机械系统中的间隙、干摩擦，结构系统中的材料弹塑性和黏弹性、构件大变形，控制系统中的元器件饱和特性、控制策略非线性等等。通常在某些情况下，线性系统模型可提供对真实系统动力学行为的很好逼近。然而，这种线性逼近在许多情况下并非总是可靠的，被忽略的非线性因素有时会在分析和计算中引起无法接受的误差，使理论结果与实际情况有着失之毫厘，差之千里之别。特别对于系统的长时间历程动力学问题，即使略去很微弱的非线性因素，也常常会在分析和计算中出现本质性的错误。非线性动力学理论的研究和发展已经经历了一个多世纪，在新世纪之初，为了使非线性动力学理论得到更好的发展，非常有必要回顾一下非线性动力学研究和发展的历史。非线性动力学理论的发展大致经历了三个阶段。第一个阶段是从1881年到1920年前后，第二阶段从20世纪20年代到70年代，第三阶段从20世纪70年代至今。人们对于非线性系统的动力学问题的研究可以追溯到1673年Huygens对单摆大幅摆动非等时性的观察.第一阶段的主要进展是动力系统的定性理论，其标志性成果是法国科学家Poincare从1881年到1886年期间发表的系列论文“微分方程定义的积分曲线”，俄罗斯科学家Liapunov从1882年到1892年期间完成的博士论文“运动稳定性通论”，以及美国科学家Birkhoff在1927年出版的著作“动力系统"。第二阶段的主要进展是提出了一系列求解非线性振动问题的定量方法，代表人物有俄罗斯科学家Krylov、Bogliubov，乌克兰科学家Mitrpolsky，美国科学家Nayfeh等等。他们系统地发展了各种摄动方法和渐近方法，解决了力学和程科学中的许多问题。在这个阶段中抽象提炼出了若干著名的数学模型，如Duffing方程、vanderPol方程、Mathieu方程等，至今仍被人们用以研究非线性系统动力学现象的本质特征。从20世纪60~70年代开始，原来独立发展的分岔理论汇入非线性动力学研究的主流当中，混沌现象的发现更为非线性动力学的研究注入了活力，分岔、混沌的研究成为非线性动力学理论新的研究热点。俄罗斯科学家Arnold和美国科学家Small等数学家和力学家相继对非线性系统的分岔理论和混沌动力学进行了奠基性和深入的研究，Lorenz和Ueda等物理学家则在实验和数值模拟中获得了重要发现。他们的杰出贡献使非线性动力学在20世纪70年代成为一门重要的前沿学科，在动力学、振动与控制学科的创立和发展过程中都占据了重要的地位，成为当代动力学、振动与控制研究的一个重要分支。近年来，非线性动力学在理论和应用两个方面均取得了很大进展。随着非线性动力学理论和相关学科的发展，人们基于非线性动力学的观点以及现代数学和计算机等工具，对工程科学等领域中的非线性系统建立动力学模型，预测其长期的动力学行为，揭示内在的规律性，提出改善系统品质的控制策略。一系列成功的实践使人们认识到：许多过去无法解决的难题源于系统的非线性，而解决难题的关键在于对问题所呈现出的分岔、混沌和分形等复杂非线性现象具有正确的认识和理解。研究非线性系统动力学的方法可以分为定性方法(或几何方法)和定量方法两大类。定性方法一般不直接求解非线性动力系统，而是从非线性系统的动力学方程入手，研究系统在状态空间的动力学行为。由于非线性微分方程一般没有统一的精确解法，所以定量方法只研究各种近似解法，例如平均法、KBM法、多尺度法、谐波平衡法等等。定性方法和定量方法可以相互补充，定性方法可以得到系统解的拓扑结构和系统参数之间的关系，定量方法可以得到确定参数时的数值解。在研究各种复杂的非线性动力学问题时，两种方法缺一不可。穿随着计算作机代数、数值鲁模拟和图形技灶术的进步，非宫线性动力学理描论正在从低维牧向高塑维发展，非线饱性动力学理论吧和方法所能处违理的问题规模项和难度不断提惧高，已逐步接糖近实宣际系统。在工各程科学界，以众往研究人员对甲于非线性问题厕绕道而行的现摸象已经发生了我变化榨。人们不仅力遣求深入分析非谋线性对系统动灾力学特性的影匹响，使系统和违产品的动态设迁计、掩加工、运行与屈控制满足日益搜提高的运行速沈度和精度需求锣；而且开始探编索利用分岔、昆混沌冲等非线性现象勉造福人类。微科学理论死与工程技术总侧是相互依赖和倚相互促进的，疑新的科学理论乞可以阐明并揭缸示出烂工程问题中未雁被认识的复杂惠现象和本质。牙非线性动力学疤理论在高科技且领域和工程实赴际问鸟题中的应用，依已经引起了各准领域科学家们杯的广泛关注，皇并使这门学科踢有了强大的生害命力墨。在工程系统只中，有许多动选力学问题都是敲非线性的，它疤们的数学模型难和运动方程可耗以用导非线性动力系戚统来描述。以设下仅列出若干斩机械、结构工驾程师感兴趣的访动力学、振动艘与控母制问题：琴(1)污棉航天飞机和空裙间站中柔性机激械臂、卫星天释线和太阳能列涉阵的非线性振岁动；等(2)滨拖航天器姿态的萌混沌运动；缸(3)棉样系绳卫星的非王线性振动与控泻制；发(4)闻飞柔性机器人和舟弹性机构中的舰非线性振动；环(5)唇课内燃机中曲轴平系统的非线性被扭转振动、气撇门机构的非线泊性振动和离心抹摆式减振器的墙非线性振动；捧(6)陈勉带有裂纹的大节型转子和大型撞发电机组的非纠线性振动；蔽(7)套晴滑动轴承中的具油膜涡动；爬(8)嘴过齿轮传动和黏奸弹性带传动中昏的非线性振动球；鹰(9)政把金属切削过程塞的非线性颤振胖和控制；淋(10)贝钓振动机械中的刑非线性动力学麦；出(11)母瘦高速机车行驶损稳定性和蛇行须运动的控制；贸(12)丧碑船舶在横浪或棚纵向波作用下口的横摇运动、务操纵稳定性和乐倾覆机理；宁(13)捡曾车辆主动底盘匠系统的时滞非汉线性动力学与忘控制；伍(14)洒奏悬索结构以及池悬索和梁结构崭之间相互耦合彩的非线性动力谦学；哑(15)眯童流固耦合系统嘉和流体诱发的拍机械结构的非吗线性振挺动朵.倦由此可见耀，研究非线性长动力学理论和训方法对于解决欧工程系统中的讽实际问题具有忧重要桂意义，非线性幅动力学的研究映进展将会对工献程系统的研究棒、设计和使用名产生深远的影络响。仰2.2努寺振动控制饥对机械振燕动进行主动控具制方面的尝试馒已有三十多年假历史，但早期气的进展比较缓席慢。手近年来，随着照信息技术、测接控技术的发展橡，振动主动控浴制技术有了长察足进步，一些黎控制单方法和相应的轨测控系统正日拔趋成熟，并开互始在航空、航纵天、机械和土闻木工程领域得之到了皱成功应用。屡以转子系照统的振动主动辩控制为例，其杆研究包括：控监制的目标函数盼，控制器的设敏计和垦施加控制力的道方法等。其中舍，关键是如何尸施加控制力。没目前，有两类嗽施加控制力的立方法淘：一类是直接颜将力加在转子腾上，另一类是厌通过轴承座来涝施加。一个成纤功的主动控制四作动每器应具有：紧季凑的结构，大及的作动力，大句的调节距茄离赴(样应大转子可能狱的最大振铲幅石)农，宽的跪频率范故围报(虑至少应包括要总控制的最高振必动频苗率鱼)跑。目前常见的摧几种转子系统等的振动主动控胃制手段有：磁饼轴承、压电作跨动器、记忆合伶金作动器、液圈压作动器、主洞动可倾瓦轴承讽、主震动油安膜溪(嘱挤压油炉膜古)是轴承以及盆电丧/膀磁流变阻尼器楚等。这些方法饼各有优缺点，柿如磁轴承的不竞足蒜在于轴承参振炮质量大、承载仿力小、需附加妄保护轴承等；策记忆合金和液亩压作动器的不伍足是谢反馈速度慢等拆。到目前为止陡，只有磁轴承份得到了较广泛选的应用。控制坡器的设计可以裕基于迹已有的控制理帮论，但很大程低度上取决于作陆动器。衫振动主动假控制技术最引天人注目的进展诚是集传感器、亡控制器、作动净器与结构为一痕体，老以减振和降噪欲为目标的智能系结构。当前，卵研究的热点是狠基于压电传感狭器和作动器的鹰智能湖结构，控制策蛙略则来灶自浙H弓∫凳控制、自适应托控制、神经网达络控制、非线性性控制、混合段控制等互控制理论的新碑成果。经过大章量的数值模拟劈、优化设计和督实验，这类智德能结构已有许键多成营功的应用。大庄到对空间可展速天线、太阳能测帆板等张开时圾的振动进行主摸动控制，小到绝对提扮琴和吉他的音如箱进行振动控盖制以改善其音轿响效果。在智腔能结构进一步娇走向工程化、写实用盾化的过程中，敬控制效果与测膜控系统的可靠肚性、经济性、播重量等因素的捷矛盾正日益显步现。矛因此，智能结蛇构动力学尚有号许多开放的问橡题。健对于大型院结构和机械，锁达到振动主动古控制所需推力掏的作动器通常叛价格昂贵、能污耗巨浑大、体积和重趟量也很可皆观饰.叹宣通过局部地、索主动调节系统诱动特性的方法抚来实现振动控窝制通伴常称为振动半待主动控制，所胃需能耗低、也河勿需对原系统圾作大修改。例尿如，通过实时匆调节妈系统中某些零盼部件的刚度和屠惯性来改变系舱统固有频率，骂可避免共振。粘具体实现时，骑可通苹过步进电机和铜丝杠来调节系迎统中某些集中烈质量的位置，念使等效惯性或强刚度发生变化懂，也巷可采用电磁、夹气液等手段来搞调节弹性元件允的刚度。目前摇，结构工程界示广泛研究主动苦拉索虽，即通过液压寄作动器调节拉丈索的张力，进碍而改变索系结房构的等效刚度嗓和固有频率。驾近年燕来，形状记忆邪合金、电流变拼和磁流变等功址能材料的出现漂为主动调节系浙统刚度、阻尼牛提供而了新途径。例请如，已发展了仆多种电流变和虑磁流变可控阻喂尼器，针对转洒子轴承、车辆衔悬架蚕、桥梁拉索等穷开发了半主动原控制技术。此治外，采用半主颂动控制的动力偶吸振器技术也萍有新显的进展。已有笋的半主动控制填策略可分为几构类：第一类是丽通过求解系统梁动力学问题，歼获得钱可控减振诞环节的参数对袖系统动特性的旧影响，进而形举成的控制策略究；第二类是根六据系统的动力况学模匪型和控制理论关建立的控制策喊略；第三类是眨在无法建立系据统动力学模型师的情况下，基敌于在削线辨识并以自聚适应控制、模讽糊控制、神经迟网络控制等为占代表的智能控偿制策略。显然典，后弦两类的实用性洪好，也是目前复研究的重点。杠随着对振持动控制要求的撒提高，非线性最控制和时滞控证制正日益引起慢人们的注意。般例如康，采用非线性小控制策略可解愧决绳系卫星展浆开过程的镇定芝问题；针对液江压系统存在的高时滞爬，利用时滞反流馈对船载吊车减的摆动进行控替制；采用时滞杏反馈控制非线床性系统的混沌这运动串等。时滞会使旱控制系统的特熔性发生质的变轨化。由此引起调的系统稳定性疲、分岔等问题姐正引杂起重视。追3渗牢若干研究前沿压及其主要研究确内容怀工程系统刺的动力学建模狼、分析、设计幻和控制的一般获理论和方法是夏动力学、振动朝与控堡制的主要研究冒范畴，其总体谅发展趋势是高浇维咐(降和无限破维揪)苦、非线性、多详尺度和多耦合芦系统子的动力学。具嫩体地说，今后同所研究的工程种系统日益复杂女，将包括各种帽非线性因素，覆机、奋电、磁、热和凭流等多场耦合盛因素，边界与赌结合部效应，挂微机电系统引笑起的尺度效应笼等。肌因此需要发展翠新的非线性动促力学理论、分腥析与仿真技术锋来研究工程系键统的大范围动扯力学睁特性，要基于伐对工程系统动智力学的深刻理伯解来发展新的杰优化方法实现妨对系统的动力迎学设堂计，还要发展致各种主动控制感乃至智能控制氏来使系统获得求所需的运动。抢根据我国容科学技术的发提展情况和国际拐范围内对动力律学、振动与控闷制的研究态势明，可坑以归纳提炼出向以下几个具有足共性和根本性景的前沿研究方像向，并建议加切强相应的研究寺工作安。缝3.1扛虹高维非线性系歪统的全局摄动霜法、全局分岔据和混沌动力学屈高维非线贺性系统的全局舅分岔和混沌动艰力学是目前国挽际上非线性动厕力学领域的前梦沿课损题，并且已经苍列入我国力学粥学啄科绩“斑十霉五好”伪发展规划。大巷部分工程实际尘问题都可用高悬维非检线性系统来描衔述，并且大多贵数都是高维扰瘦动鸣Hamilt腊o悲n闹系匠统贸.忘然而目前研究番高维非线性系标统卫的全局分岔和披混沌动力学的兆方法还不是很锤多，对于高维忠非线性系统的焰全局动力学特兵性研党究的还不是十乔分清楚。对于章高维非线性动拼力系统来说，津其研究难度比弯低维非线动力享系统愧要大许多，既旅有数学方法上匙的困难，也有废数值计算和几悬何描述上的困艳难。对于高维阅非线直性系统和无限果维非线性系统逐，从理论上讲毒虽然可用中心旷流形理论和惯伶性流形理论对温高维嫩非线性系统和骗无限维非线性纱系统进行降维娘处理，使系统爸的维数降坊低丢.蚊但是降维后的致系统其塞维数还是相当络高的，并且高竹维非线性系统啄中的稳定流形轮和不稳定流形犬的几何结构难卡于直世观的构造和描季述，因此发展圆能够处理高维由非线性动力学徐系统的研究方枣法是非常重要鞠和迫舒切蝶的红.桑如何研究高维肌非线性系统的膀全局摄动法、款全局分岔和混棚沌动力学，对裳于解决工程实蹈际问题至关重艘要。对于高维播非线性系统，羊其研究内容可筐以从以下几方奖面开展：崖(1)皱床基太于育Kovaci哀c-Wigg彼in梢s六全局摄动法质、映Haller饱-Wiggi抄n心s赴所提出的能慢量为-邀相位法方法、悼以兵及耗Camass攻a域和等人的广导义金Melnik孕o廉v咸方法，发展适义用于研究高维燕非线性系统全罢局分岔和混沌竹动力学的全局捉摄动法，使这分种全局摄动法吴能够研究大部栽分高维非线性毁系统，能够解届决三淹自由度非线性宇系统的全局分现岔和混沌动力太学问题。收(2)节絮利用标食准仓Melnik遭o尚v符方法、微分几迫何理论和不变申流形纤维丛理抽论发展用于研遭究外周期芹激励作用下多掩自由度非线性交系统的全局摄湖动法，使这种汗方法能够解决芒含外周期激励撞的多乖自由度非线性趁系统的全局分挎岔和混沌动力丑学。研究高维砍平均系统的同形宿分岔、异宿跳分岔菌和全局分岔，月找出平均系统咸中由奇点组成带的奇点环，进极而研究高维平绕均系统中体的旱Silnik孩o汤v做型混沌运动。游(3)业莲研究高维平均磁系统的规范形盏，当解同时具捉有一对双零特牙征值和一对纯时虚特征值，一赢对双零特征值值和二对纯虚特雀征值，二对纯童虚特征值或三握对纯虚特征值检时，研究高维淘规范石形和普适开折网的计算。当高连维平均系统解刺具有二对或三门对双零特征值睛及几对纯虚特乞征值简时，在共轭算姜子法，多逃重英Li宽e饿括号方法直接北方法的基础上者，利杆用疏Mapl侵e棉符号程序给出奔简便谜有效的计算高钻维非线性系统进的规范形和普径适开折的方法遇，使之得到最章简规范形。迈(4)药衔利用高维规范坡形和普适开折双理论研究外周僵期激励作用下懒二个和三个自突由度非线性系校统当解具有二梢对或三对双零田特征值及几对迟纯虚特征值时绩的高余维退化丘分岔、全局分丙岔和彩解的稳定性判煌断。娘3.2久烛高维强非线性个系统分岔与混活沌动力学的实订验研究楼随着非线姑性动力学理论纠的发展和数值纲计算能力的迅模速提高，高维管强非线性系统润的动售力学特性的数弟值研究成为非兴线性动力学研干究中非常活跃宰的领域，尤其搅是在非线性系饱统的岂分岔与混沌动肝力学的研究方沈面发表了大量蹄的论文。尽管旨在数值分析中锐发现了大量的撑分岔哥与混沌现象，堪但对这些现象四的非线性本质哨还缺乏深入了渡解，尤其是缺茎乏有关的实验秘研究当和验证。烦通过开展顷对于高维强非骑线性系统分岔请与混沌动力学糠的实验研究，州对这类系统的驼动力尚学特性的更为遥深入的理论研舌究和数值计算内具有重要的指踢导作用，对非循线性动力学分钻支学哗科的发展和实殃际工程应用将限具有重要的促昨进作貌用匀.催这方面的研究污内容可以从以功下几方面开父展：穗(1)粗溜用于高维强非鸽线性系统分岔杰与混沌动力学薯实验研究的试究验装置设计与需实现，包括实油验信号的提取稻和处理方法研承究，分岔与混周沌运动控制方腊法的实现等。骆(2)午皇高精度参数控授制系统的研制若和设计。考虑物非线性控制问享题，快速反馈充控制问题，研劲制频率宽、作糊动力大、动力预学特性简单、卖尺寸小和控制励方便的作动器四。导(3)余滩实验得到的高学维强非线性系夺统分岔与混沌杠动力学等的响哈应形症式守(误周期、拟周期习、混沌哀、盾Poinca容r末e恰图停等灿)好的定义方法和持与理论定义的遮相对一致性的跟研究。滥(4)手定转子系统稳定昂性的实验研究委，利用实验方柱法对造成转子剪失稳的因素进巴行更精细的分南析，例如研究针强非线性油膜行力的影响问题胡；研究多种因桶素共同作用时纽的稳定性问题谣。无3.3某马时滞非线性系债统的动力学理养论及其应用曾许多动力很系统随时间的场演化不仅依赖付于系统当前的捷状态，而且依初赖于系统过去匠某一另时刻或若干个垦时刻的状态，鸟这样的系统被毁称作时滞动力隆系统。工程系镰统中的时滞通续常可增以归结为下列件情况之一或几寒种情况的组合热：夜(1)疤跃测控过程中的桐测量时晓滞握(守如视网膜对视烛频映像的处理尺、绸唤机器人分析电造视图灿像姻);设(2)黎振信号传输中的俩时名滞械(惭如地壳的波动年、化学反应的下流动、电磁波候传输里等故);嘴(3)性伪形成控制决策牵所需的时惠滞马(揉如数字控制器蕉的运算过程、鹿人脑的分析与书判束断例);排(4)菜区建立作动器输备出所需的时际滞伏(均如液力作动器埋从接受驱动信即号到产生推半力北);敢(5)嘴叼系统的物理和劝化学性质导致凤的时滞等。钉因此，许虑多动力学控制锹系统需要用时窄滞动力系统来饿描述。此外，镇时滞动力系统蜂还是啦描述金属切削估过程颤振、生暂物系统演化等华问题的数学模弊型。一方面，睡动力系统中无楼法避握免的时滞会改尊变系统特性，联使系统失去稳绣定性，甚至使珠系统的演化呈留现复杂性。另详一方抹面，时滞控制栏比较容易实现榴，可以通过它属来改善系统的叹动力学特性。屈例如，混沌空川调就硬是利用时滞反图馈控制来产生对混沌信号，柔蒸和地调节室温寸。对于动力学浅、振动与控制卡学科欺而言，时滞动茧力系统的研究承通常直接涉及尸到动力学和控妨制两方面的内赚容。然而，与休常微宗分方程和偏微坑分方程所描述狗的动力系统相维比，时滞动力证系统对应于泛眼函微分方程，种其初胞始状态空间是衣一个无限维空垫间，并且这个毁无限维空间没衫有多少特殊的胆性质，理论分苦析往供往非常困难。侨对于时滞非线另性动力系统的烦稳定性分析，皂特别是失稳后喂的动力学行为概的分陷析还没有成熟凡的、可直接应姥用的方法和理排论，更谈不上血数值计算方法捞。时滞非线性余动力杰系统有着比用踏常微分方程所托描述的动力系巷统更加丰富的欠动力学行为，貌例如，一阶的益自治曾时滞非线性系快统就可能出现疑混沌运动。另鹿一方面，时滞职因素的出现往剩往会导致常微浙分方气程所描述的系共统中的混沌运怜动消失。因此掠，开展对时滞赶动力系统的研畜究既有重要的仆意义裂，同时又是富径有挑战性的任列务。序迄今为止峡，国内外对于假时滞动力系统筝的研究主要集取中在以下几个艺方学面兰:杰(1)兽宏从数学角度将望时滞动力系统处作为泛函微分绵方程，研究解胃的存在性、唯酿一性、振荡特弄性等。牵(2西)叮对线性时滞动训力系统进行稳幸定性、鲁棒稳爽定性分史析活.找这方面的论文亏很多，并已有臭若干烛专著。广(3)初抓针对一些特殊索的时滞非线性潮动力系统研究伐其周期解，特太别是平凡解经接过工Hop读f档分岔形怀成的周期解及议其稳定性。这箱方面的研究主斩要集中在生物举数学界，对于扮分岔的研究尚拣限于玉非退化榆的蹦Hop问f故分岔。章(4)谋傅针对实际工程尚系统，如切削离颤振、机器人距控制、车辆半才主动悬架、车坡辆转向动力学苹、保密通讯等振，通过研究时仆滞对系统特性毙的影响来改善忌系统动特性。截从国际范趋围内看，时滞熔因素对动力系临统的影响机理钉正日益受到重奋视。我国学者找在这催方面的研究已悼经有很好基础夫，有一些研究坐论文发表在高萌水平国际期刊众上，并出版了伏专著困。但研究队伍扁规模小，研究召方法尚未形成鞋体系，所得的即结果还是局部么的，在时滞引申起动输力系统复杂性胶的研究方面与银国外学者的研急究工作尚有差基距。因此，非翼常有必要加强戏对于布时滞非线性动该力系统进一步贝研究。值得注滔意的研究内容峡有：武(1)吹雪非线性时滞动波力系统的辞非雄Hop垃f妙分岔、高余维已退化分岔（如饶退化垦的圾Hop朽f妈分岔）分析与希计算方法。展(2)门皱非线性时滞动喷力系统中混沌蚕产生的机理与毙条件，对混沌栽进行时滞控制毯时控制策略的迷理性构造方法婶。眯.税(3)筋镇非线性多时滞概动力系统初值惹问题、周期解爪问题的高效数贯值计算方法，拳以及相应的稳糠定性计算方法池。秤(4)贫溜非线性多时滞粥动力系统的实鼓验建模方法，材包括时滞参数屯的可辨识性研班究，人机交互猴过程的模型建肌立等。沾3.4虚现流奸体芝-骡弹性段体凉-源刚体耦合系统脊的动力学与控勿制联流固耦合秀动力学是固体略力学和流体力困学交叉形成的贸一个动力学分燃支，主要研究都变形楼固体和流体两肯种介质之间的壁交互作用，即络在流体动载荷礼作用下固体产夜生的变形和动好力学纯响应，而变形示和动力学响应况反过来影响流迁场从而改变流踢体载荷的分布访和大小。多柔约体系野统动力学是固职体力学和动力笨学交叉形成的难一个动力学分浅支，主要研究加大范围的刚体旁运动读和柔性变形的烛相互影响，刚主体运动产生附寨加的惯性力影丈响变形，而变仙形产生刚体的陡质心健和惯性张量的炒变化从而影响困刚体的运动。意流体－弹性体偏－刚体合系统添动力学与控制析则是董上述两个交叉箱学科的进一步端交叉与融合，洗从学科上来看待涉及固体力学珍、流体力学、兽计算说力学、动力学写、振动与控制液等学科，从工腹程上来看与航家天、航空、航不海、动力机械幸、石蜂化、生物等领司域均有密切的便联系。抛流蓝体处-抵弹性处体稠-柳刚体耦合系统羞具有以下一些橡特浪点漂:吩(1)诉蜂多介质耦合：运系统中刚体、决弹性体、流循体狡(大液体和气恰体妥)馒等多种介质相驶互耦合作用，口其特点是固体姐运动、流体运廉动和刚体运动在均不可能单独世地求解，无法喉显式地消去描灵述流式体运动的独立征变量，或描述煌固体运动的独梳立变量，或描叔述刚体运动的奉独立变量。这枕里的薯刚体可能是可粘以处理成刚体塔的真实物体，退也可能是刻画西系统整体运动左的刚体运动模条态。伐(2)送捐非线性特性：婚刚体的运动和呈系统整体的运孤动一般是大范骡围的非线性运秆动，因此非线亩性因素是流搂体抄-木弹性毫体床-唱刚体耦合系统枣的固有特点。汇(3)伍岁多时间尺度效芳应：刚维体久(概或系统整尘体裕)找、弹性体和流线体运动的特征驰周期一般属于安两个友以上不同的时电间尺度。岁(4)寺酿变结构特性：爪有些系统中含世有机构，可以乡在一定条件下泥锁定，如卫星见的太阳能电池烤帆板展开锁定放，机械手抓取哄载荷等。产流体－弹冬性体－刚体耦宴合系统的动力霞学与控制涉及驶的学科面广，辜难题也自然多支。今须后一个阶段，卸下述关键问题病应引起重视：划(1)圣浑动力学建模问民题：包括如何谢建立准确描述霉系统耦合动力寒学行为的数学技模型，如何建芝立工程上实用语的简化模荣型尸(雹或等效模灰型碌)机及其简化准则御，如何通过实仪验进行模型验掘证等。惑(2)锹孔计算问题：由看于计算对象属助于多时间尺度若、多介质耦合苏问题和非线性惰问题，因此其病难度很大。需尚要重点研究如换何最简便地描冷述运动，解决叼计算中的刚性角问题，提高计瞧算效广率等。举(3)上学研究单柔性输迅流管，双柔性叨输流管以及多帝排输流管的全龄局动力学。建煎立流固耦合的谅非线性动力学羊方程，利险用烟Galerk限i天n热方法把这些非耍线性机械系统尤简化成含参数她激励的低维筹非线性动力系窃统，研究系统缠的局部分岔、阔全局分岔以及鸡混沌动力学。脉(4)短踪研究在风作用等和支座运动情利况下柔性索和捐柔性梁耦合的脂混沌动力学，闷建立水平索和济斜拉索与柔性全梁耦合情况下榜的非线性动力肉学方程，研究疾系统在多种共局振情况下的全巩局分棚岔和混沌动力屯学，确定多脉侮冲同宿轨道和饺多脉冲异宿轨姥道。历(5)果没研究贮液箱中张液体与贮液箱佳之间相互作用猪的非线性动力嘴学、全局分岔懂和混沌动力学侄问题，建立合奏适有效的动力绝学控制方程，浴研究系统在多叫种共振情况下眯的全局分岔和吗混沌每动力学。枣3.5园众变结构动力学肺与碰撞振动殃变结构动铲力系统在工程旁技术领域有着龄广泛的应用背语景，如航天器卵的交会对接，爆空间李机器人捕获卫喊星，步行机器池人、飞行器分齐导、以及结构剥中的间隙作用膜等等都属于这基类动壳力系统的研究征范畴。在精密性机械、图象处程理和生物技术沫中的许多问题忘也都存在着许顺多约钻束性质发生突否变的类似现象岛。如何合理的返描述变结构系词统的动力学过希程已成为解决肺当前烧包括航天工程肤、机器人技术廊、生物工程等迎许多工业领域肤的基础性研究饮课题。伙变结构动泥力系统涉及到兔许多基础性和堵应用性学科的笼交叉。由于这终类系统包含运病动过增程中约束性质福的变化，因此变，其动力学过躲程是非光滑、泥甚至不连续的毫过性程容.炸从数学意义上欧来看这类系统伯可以归并为一森类含不等式约晃束的非线性微房分惯-岗代数混合系统质，对这类系统抬解溉的性质的研究棒涉及到不等式侮变分原理、稳姑定性理论、含谈线性并协性条郑件和非线性并瞧协性贺条件的数学规魂划问题、以及笋相关的数值算渗法等当前应用便数学领域研究有的内容。从力赞学意话义上来说，变作结构系统在约往束性质变换的该过程中，一般柴要含有碰撞接宫触的过程，正息确的膛刻画碰撞过程扒的作用机理是妨解决这类问题拘的理论基础。多牛顿逼、础Poisso奶n屈及落Whitta休ke鼠r策理论萝构成了经典碰摄撞动力学理论满的框架，但实拌际上它所能处抱理的问题仅限燥于两个球状近驾刚性切物体的正碰撞桶或斜碰撞问题品。因此，在将潮经典的碰撞动摸力学理论引入亲到变结构系统凶动力例学时，我们必铲须重新认识经窜典碰撞动力学剃理论中所包含泳的简化假设。身这些假设包括此：迷(1)逢底碰撞瞬态假设密；鹰(2)兔学碰撞局部性假栗设诱；印(3)笼转碰撞法向运动浴不受切向运动开影响的假设紫；醒(4孝)槽恢复系数只依上赖于碰撞体材链料性质，而与斑碰撞体的几何怎形状和运动条聋件无关的假设堂；卡(5)杀冲切向冲万量辆Whitta薯ke照r愚理论来确定的李假设。谈当把经典皱的碰撞动力学周理论推广到多颂柔体系统的碰度撞问题时，引耗起的问题更多蛋。我扣们必须注意到院柔性体发生碰愁撞时可能激发重的多种不同的烂运动形式嘱：侧(1)匹弯碰撞体的整体北运杠动枝；增(2)窜咸碰撞体在碰撞倚点临近的局部丝变形运动申；侵(3)冰拳柔性体的结构山变形运动漏；播(4)宜剪应力征波的传播等。胜同时，变结构波动力系统与计南算力学的发展箱紧密相关，碰拉撞接触的过程刷实际解上是一个含动露边界的相互作晶用的过程，目雕前在计算力学瞧领域备受关注豆的无网格数值欠技术鸽方法为精细研对究碰撞作用过唉程的力学性质共提供了可搬能皱.窜变结构系统往跨往是一个受控冲的多体仅系统，碰撞过谦程的强非线性逗因素对控制器裤的设计提出了穗更高的性能要烟求，这包括对扣控制斩器的鲁棒性、禁稳定性、以及品系统在执行机堪构受限条件下山的最优控制问外题等。可以看虫出，式碰撞与变结构欢动力学不仅具叫有广泛的工程潜应用背景，并确且涉及到多体笼动力学、计算症力学宵、应用数学、篇控制理论等多谅学科共同关注厕的基础理论问伪题，因此，开启展碰撞与变结朴构动沃力学及相关的锐碰撞振动研究塑具有重要的理逃论意义和工程肺价值。主要研贼究内容有以下勇几方捐面：禾(1)撒件碰撞作用过程枝力学机理的研鸣究碌.舌包括基于能量垦表述的碰撞简诱化模型的实现尝，碰撞过程柴中的能量分配忙规律，以及对静碰撞过程中切攻向运动和法向冬运动的相互作顺用机理等。躲(2)催肢变结构动力学幻过程整体动力蜡学特性的描述坏。包括对含并详协性条件微分存代数混合系统命的解的性质、寨全局稳定性、筹以及相关的数乎值算法。拘(3)式缓动边界问题的码处理技术。包辉括利用无网格藏数值计算方法猎解决含大变形胡和碰撞接触的藏变结构动力学秩问题。荐(4)淹屈变结构动力系畏统的控制问题策的研箭究抢.差包括研究含碰爱撞与接触约束佩的变结构系统泳控制策痛略的鲁棒性、结稳定性、以及愿相关的最优控愈制策略问题。耗(5)竭桐含间隙的复杂唯机械、结构系帽统碰撞振动分粥析，包括碰撞启振动的类型、像运动稳定性、北分岔及混沌的洋分析与控制等吼。客3.6依夹微机电系统动辅力学帆近年来，才微机电系贞统蔑(micro设elect遥ro-mec滚hanica傲lsyst档em,ME倘MS愧)咏正走出实验室咏，成框为顾2肥1叙世纪初的新兴脑产业。仅从国接防科技工业领谣域看册，战MEM孤S荒技术将用于各杂种微型武器系装统嘉，形成具有新她的竞争力太的阻“魂智能军膛火缠”留。西方发达国固家正在积极研棋制用于军事目种的的微备型航空器、重锅量份在向1k怜g隙级、甚税至墙0.1k穷g吓级的纳米卫星匠等。而它们的陡实现必须借助泛各种微发旁动机、微惯导幕仪器、微传感糠器、微执行机土构。与传统机遇械和结构相比胞，棚MEM衰S努的研制过程蠢更具有设计与匀制造一体化的巧特征。目前，严对驾MEM参S梁的设计多还在涂器件水平。除剑了少数二维做器件的设计外早，多数设计借通助吃于缸ANSY通S隔等商品化软件廉进行试凑；除篮了一些微加速运度计的设叹计外，多数设虾计尚属于结构猴静强度或机构箭运动学范畴。余可以预见，随秃着痕MEM应S圈的实用化，络其动力学问题成将日益引起人轧们的关注。例箩如，对于微发杀动机中的运动恨部件、微惯导初仪器慌，必须从动力凡学角度去进行忍分析和设计。腊微机电系统动丰力学方面的研壤究国内外均起搜步不燕久，以下是若乐干值得注意的集问题：克(1)债缺多学科耦合的假大规模动力学移模拟。许迹多露MEM婆S鸡包括了固体、苏流体、热传导诞、电磁、静缩电等相互作用雕。例如，在微停米尺度的流速姨计中，集成了傲限流元件、压都力传感器、放乳大电办路等。对其进德行动力学模拟同需要使用含计概算流体力学模探块买的风ANSY公S借有限元软件惹包漠FOLTRA诵N酱和电网络模拟版软傅件水HSPIC犬E卫，联合解决多性学科耦合莲的促MEM纤S村仿真与设计。舍仅从流体力学连看，仆又可能包括自易由表面和表面里张力、非牛顿芝黏性流、非均舟匀多相流、悬射浮流体、表面宾吸收惜和催化作用、辣混合、多介质坦传导、热传导居和辐射等。因纷此，需要有适兵应各种学科和饿各种井方程的网格生尿成技术及动力拒学求解衔器村.芒由于说对狂MEM葬S汤精细建模的需穴要，上述多学催科耦合的数壮值模拟规模非胃常大。目前顶，抹MEM往S肢的动力学研究查中，处吉理押10,00把0非个自由度的线作性问题已属述常规，但更大乞规模的多学科扎耦合数值模拟甩还有许多困难伪。鹿(2)抄蝇尺度效应分析网。目前，凡对符MEM晓S侦器件的尺度效馆应研究主要针急对强度、摩擦豪与润滑等问跪题，很少针对近动力学问题。惧已有实验表明煌，对于基于共爷振或滤波原理略的微传感器，凤其工侄作频率范围卖达皮kH畅z愚或桨GHz,本顿会产生由于尺其度引起的稳定茎性问题。随着冬尺度缩小，对惹于宏观则器件可忽略的步失稳变得突出容。当器件尺度题很小时，温度鄙、驱动功率孔、驱Brow砌n紧运动万、孕Johnso早n岔噪声、光子、李电子、吸收分依子的波动等都味影响噪声特性丢，有可能限制寻超微传感器的叶应用费.隔这些都琴是好MEM仆S撑发展中需要认钻真解决的动力岛学问题。储(3)则守非线性动力学破分析啦。签MEM回S偿中的非线性主疾要源于微机构挎、微驱动性器僻(托如静电电射机悟)铜，例酿如柔性铰产生桥的几何大变形称、摩擦等。目庸前，对非线性彩问题的研究主从要采疲用纱ANSY厨S勒软件进老行非线性有限华元建模和瞬态成响应数值模拟屠。几乎未从非祝线性动力学的留高度来研究非搂线性车振动、动力稳摔定性等问题。岸随着微机构和淋微驱动器实用灶化，转速高绕达碍100000婆r/min茶的微马达将投节入使用，高速租旋转机械和机稼构的动力学问彼题必将引起关镰注。个(4)峰貌纳米机械的动帝力学模拟。式当洁MEM缠S爸中器件的尺度苍小到纳米量级钢时，基于连续扛介质力学尽理论的建模方戴法将失效。目励前，对纳米机夕械的设计尚处该于探索阶段，幼例如采用分子讨动力抛学模拟方法研稍究纳米齿轮的静可行性。该方宋法引入了许多眯假设，从而有牙一系列局限性制，如篮不能计入量子吼效应，计算规么模还只能到上脖万个粒子，难云以对具有支链蹄和环状结构的涉柔性烈分子进行模拟阿等。因此，有积必要研究介于六量子力学和连棚续介质力学之剂间的动力学，耍使之史能用于纳米器就件的动态模拟码和设计。轻4绳季与发达国家研街究水平的对比澡近年来，劳我国学者在动餐力学、振动与侮控制的理论和席方法研究方面耕取得了许多新耕进展吴，缩小了与国绪外先进研究水袍平的差距。例腿如，在分析动撤力学、多柔体辅动力学、非线长性动篇力学、分岔和薯混沌动力学分针析、非线性随峰